Los químicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. Han diseñado un nuevo catalizador que acelera la velocidad de un paso clave en la "fotosíntesis artificial":un esfuerzo por imitar cómo las plantas, algas, y algunas bacterias aprovechan la luz solar para convertir el agua y el dióxido de carbono en combustibles ricos en energía. Este paso, llamado oxidación del agua, libera protones y electrones de las moléculas de agua, produciendo oxígeno como subproducto.

Este catalizador de "sitio único", es decir, toda la secuencia de reacción tiene lugar en un único sitio catalítico de una molécula, es el primero en igualar la eficiencia de los sitios catalíticos que impulsan esta reacción en la naturaleza. El diseño de un solo sitio y la alta eficiencia mejoran en gran medida el potencial para fabricar dispositivos de conversión de energía solar a combustible eficientes.

"El objetivo final es romper esos bloques de construcción moleculares, los protones y electrones, para producir combustibles como el hidrógeno, "dijo David Shaffer, un investigador asociado de Brookhaven y autor principal de un artículo que describe el trabajo en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense . "Cuanto más eficiente sea el ciclo de oxidación del agua, cuanta más energía podamos almacenar ".

Pero romper las moléculas de agua no es fácil.

"El agua es muy estable, "dijo el químico de Brookhaven Javier Concepción, quien dirigió el equipo de investigación. "El agua puede sufrir muchos ciclos de ebullición / condensación y permanece como H2O. Para sacar los protones y electrones, tenemos que hacer que las moléculas de agua reaccionen entre sí ".

El catalizador actúa como manipulador químico, barajar los activos de las moléculas de agua:electrones, iones de hidrógeno (protones), y átomos de oxígeno, para que se produzca la reacción.

El nuevo diseño de catalizador se basa en uno que el grupo desarrolló el año pasado, dirigido por el estudiante graduado Yan Xie, que también era un catalizador de un solo sitio, con todos los componentes necesarios para la reacción en una sola molécula. Este enfoque es atractivo porque los científicos pueden optimizar la disposición de las distintas partes para que las moléculas que reaccionan se unan de la manera correcta. Dichos catalizadores no dependen de la libre difusión de moléculas en una solución para lograr reacciones, por lo que tienden a seguir funcionando incluso cuando están fijados a una superficie, como serían en los dispositivos del mundo real.

"Utilizamos modelos informáticos para estudiar las reacciones a nivel teórico para ayudarnos a diseñar nuestras moléculas, "Dijo Concepción." De los cálculos tenemos una idea de lo que funcionará o no, lo que ahorra tiempo antes de que entremos en el laboratorio ".

Tanto en el diseño de Xie como en la nueva mejora, hay un metal en el núcleo de la molécula, rodeado de otros componentes, los científicos pueden optar por dar al catalizador propiedades particulares. La reacción comienza oxidando el metal, que aleja los electrones del oxígeno en una molécula de agua. Eso deja una "carga positiva, "o" activado, "oxígeno y dos hidrógenos cargados positivamente (protones).

"Quitar electrones hace que los protones sean más fáciles de liberar. Pero necesitas que esos protones vayan a alguna parte. Y es más eficiente si eliminas los electrones y protones al mismo tiempo para evitar la acumulación de cargas excesivas". "Dijo Concepción." Entonces Xie agregó grupos fosfonato como ligandos en el metal para actuar como una base que aceptaría esos protones, ", explicó. Esos grupos fosfonato también facilitaron la oxidación del metal para eliminar los electrones en primer lugar.

Pero aún quedaba un problema. Para activar la molécula de H2O, primero necesita que se una al átomo de metal en el centro del catalizador.

En el primer diseño, los grupos fosfonato estaban tan fuertemente unidos al metal que impedían que la molécula de agua se uniera al catalizador lo suficientemente temprano para mantener el proceso funcionando sin problemas. Eso ralentizó el ciclo catalítico.

Entonces el equipo hizo una sustitución. Mantuvieron un grupo fosfonato para actuar como base, pero cambió el otro por un carboxilato menos unido.

"El grupo carboxilato puede ajustar más fácilmente su coordinación con el centro metálico para permitir que la molécula de agua entre y reaccione en una etapa anterior, "Dijo Shaffer.

"Cuando intentamos diseñar mejores catalizadores, Primero intentamos averiguar cuál es el paso más lento. Luego, rediseñamos el catalizador para acelerar ese paso, ", dijo." El trabajo de Yan dio un paso más rápido, y eso hizo que uno de los otros pasos terminara siendo el más lento. Así que en el trabajo actual aceleramos ese segundo paso mientras mantenemos el primero rápido ".

La mejora transformó un catalizador que creaba dos o tres moléculas de oxígeno por segundo en una que produce más de 100 por segundo, con un aumento correspondiente en la producción de protones y electrones que pueden usarse para crear combustible de hidrógeno.

"Esa es una tasa que es comparable a la tasa de esta reacción en la fotosíntesis natural, por sitio catalítico, "Concepción dijo." El catalizador de la fotosíntesis natural tiene cuatro centros metálicos y el nuestro solo tiene uno, ", explicó." Pero el sistema natural es muy complejo con miles y miles de átomos. Sería extremadamente difícil replicar algo así en el laboratorio. Esta es una sola molécula y hace la misma función que ese sistema tan complejo ".

El siguiente paso es probar el nuevo catalizador en dispositivos que incorporan electrodos y otros componentes para convertir los protones y electrones en combustible de hidrógeno, y luego, más tarde, con compuestos que absorben la luz para proporcionar energía para impulsar toda la reacción.

"Ahora tenemos sistemas que funcionan bastante bien, así que tenemos mucha esperanza, "Dijo Concepción.